新型表层漂流浮标体设计分析

王 鹏，胡筱敏，熊学军, 3

(1. 国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061; 2. 厦门大学，福建 厦门 361005; 3. 青岛海洋科学与技术国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266061)

新型表层漂流浮标体设计分析

王 鹏1, 2，胡筱敏1，熊学军1, 3

(1. 国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061; 2. 厦门大学，福建 厦门 361005; 3. 青岛海洋科学与技术国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266061)

表层漂流浮标在应用于海洋调查研究时，浮标体外形对浮标通讯稳定性及数据回收等会产生一系列影响，也直接制约浮标使用寿命。为此，考虑减少风阻和水阻，减小浮标体对水帆运动的影响，提出了一种新型的适用于近远海海洋观测的表层漂流浮标体葫芦形外形设计方案。结合流体力学理论分析，运用SolidWorks软件分别对葫芦形浮标体和常用的圆柱形浮标体建模，并利用Workbench软件CFX流体分析模块开展了流体分析和比较，结果表明葫芦形浮标体所受压力更均匀，其水下部分压力值较圆柱浮标体减小约28%，证明葫芦形外形浮标体更具可靠性。

表层漂流浮标；浮标体；葫芦形；流体分析；海流

表层漂流浮标是近30多年以来根据海洋调查研究的需要而发展起来的一种小型海洋观测浮标，布放后在海洋中随表层海水流动，通过卫星通讯网络定位并把位置信息传送给用户，从而获取其漂流路径上表层海流的数据。这种浮标具有观测方式直观有效、成本低廉、布放方便、便于搭载其他传感器等优势，广泛应用于全球大洋及近海环流调查研究、海洋工程应用等方面[1-2]。仅20世纪80年代开始实施的热带海洋和全球大气计划(TOGA)及世界大洋环实验(WOCE)投放的表层漂流浮标轨迹就几乎遍布全球海洋，在一些强流区尤为密集。我国也利用表层漂流浮标数据开展了大量的调查研究工作[3-5]，推进了对所研究海域流场及其分布特征、中尺度现象等的认识深度和水平。

表层漂流浮标主要由浮标体、水帆、定深系缆和定位通讯模块四部分构成，图1给出了常用的两种表层漂流浮标的结构形式，浮标体通常为圆柱形或圆球形。浮标体下部通过系缆连接水帆，实现随水帆同步漂移，定位通讯模块封装在浮标体内部，定时向卫星发送定位数据，用户对获取的GPS定位数据进行处理可得到这种拉格朗日测流方式所测的表层海流速度和轨迹资料[6-7]。

图1 两种常见的表层漂流浮标Fig. 1 Two kinds of common surface drifting buoys

表层漂流浮标实际测量的是水帆随海流的拉格朗日运动，因此应最大化减少水帆以外各部分对水帆运动的影响[8]。现有技术中，表层漂流浮标体普遍采用圆柱形或球形，体积偏大，容易受外力干扰，不利于强风条件下观测准确性的控制和弱风条件下拖曳性的减控以及近水面通讯的有效实现，对拉格朗日运动观测有较大影响；此外，浮标需要进行卫星定位和通讯，现有技术中为了使定位和通讯稳定可靠，通常把浮标体做得较大，使浮标体露出海面的部分较高、卫星通讯天线少受海浪等的干扰。但这种设计既影响表层漂流浮标的测量精度，又使得海上目标明显，容易被人为误捞、破坏。常用的浮标体外形一般均为圆柱形和圆球形，如专利号为201410226209.X的可调节浮力的漂流浮标，标体为圆柱腔体[9](图2)；专利号为201320872101.9的漂流浮标，标体为圆球体[10](图3)。虽然这两种浮标体自漂流浮标问世以来一直被广泛应用，但在海流观测时浮标体会受海水和风的影响而产生不必要的阻力，因此相关研究人员一直在探求更理想的浮标体模型。

图2 圆柱形浮标体Fig. 2 Cylindrical buoy body

图3 球形浮标体Fig. 3 Round buoy body

基于此，本文提出了一种新的浮标体设计方案——葫芦形浮标体设计方案，并运用SolidWorks建模开展流体分析，定量化地给出了浮标体的受力及周围流体的运动情况，与圆柱形浮标体流体分析结果进行了比较分析，论证了这种浮标体外形的可行性和合理性。

1 葫芦形浮标体外形设计方案

图4 表层漂流浮标体Fig. 4 Buoy body of full filled surface drifting buoy

表层漂流浮标体的理想状态为浸在水下部分不受水流的干扰、浮在水上部分不受风的干扰。想要达到干扰为零的效果是不可能的，希望尽可能减小其影响，由此提出了一种体积小巧、测量准确、定位和通讯信号稳定的新型表层漂流浮标体设计方案，如图4所示。新型表层漂流浮标体为上小下大的葫芦形，包括半球形底部和半球形顶部上端的凸起部分，二者之间平滑过渡。凸起部分内部顶端设置有天线，半球形底部内部设置有定位通讯模块、电池组和开关，卫星通讯天线设置于凸出部内，在不增大浮球体积的情况下使天线远离海面，可增强信号强度，降低电池消耗，半球形底部和半球形顶部大小由电池组和天线尺寸决定。葫芦形浮标体能减少风阻和水阻，使得浮标体对水帆拉格朗日运动的影响减小到最低，以提高测量准确度。

这种葫芦形浮标体体积远远小于同等高度(直径)的球形浮标体，也显著小于同等高度、同等最大外径的圆柱形浮标体，在漂流观测过程中可有效降低其对水帆运动的影响；且其上部体积更小，出露海面不明显，较传统浮标体更能起到自我防护的作用。

2 浮标体流体对比分析

2.1Solidworks建模

为进一步定量化分析葫芦形浮标体较之传统浮标体的优越性，拟与现有典型圆柱形和圆球形浮标体进行流体对比分析。经计算，球形浮标体要达到与葫芦形浮标体同等高度，其体积须达到葫芦形浮标体约2倍大，流体分析结果差异非常显著，所以在此不对球形浮标体做分析，仅对体积差别较小的圆柱形浮标体进行流体对比分析，从而明确葫芦形浮标体设计的可行性、合理性和优越性。

SolidWorks软件是基于Windows系统的三维机械设计软件，能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量，且操作简单方便、易学易用[11]，本文运用该软件建立模型。

葫芦形浮标体1/3浸在水中、2/3浮在水面上，对比分析应分水下部分和水上部分分别进行。在模型创建时充分考虑了对比性问题，并根据电池包、定位传输通讯模块和天线等的尺寸大小，最终建立了两种浮标体水上部分和水下部分状态下的四种模型，同时又运用SolidWorks质量评估指令确保葫芦形浮标体和传统圆柱形浮标体的体积相同，两种形状浮标体水下部分体积均约为3 665 cm3，水上部分体积均约为11 767 cm3。两种浮标体的4种分析模型分别如图5、6所示。

图5 葫芦形浮标体分析模型Fig. 5 Analysis model of gourd buoy body

图6 圆柱形浮标体分析模型Fig. 6 Analysis model of cylindrical buoy body

流体分析时，建立的长方体流域模型水下部分尺寸为800 mm×800 mm×350 mm(长×宽×高)，水上部分尺寸为800 mm×800 mm×550 mm(长×宽×高)。

2.2控制方程

1) 连续性方程

任何流动过程都必须满足连续性方程，连续性方程也就是质量守恒方程，根据质量守恒定律可知：单位时间内流体微元中质量的增加等同于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。按照这一定律，可得到连续性方程：

2) 动量方程

利用动量守恒定律可以得到不可压缩流体的 Navie-Stokes(简称 N-S)方程，通过推导得到RANS方程和雷诺时均流体连续方程的表达式：

3) 湍流方程

采用的湍流模型为k-ε方程，在标准k-ε模型中，k和ε是两个基本未知量，与之相对应的运输方程：

2.3ICEM网格划分

计算区域的离散化是流体分析前需要进行的必不可少的工作，通俗地讲就是网格划分，而数值模拟结果的好坏与网格划分效果是息息相关的[12]。用ICEM完成网格划分。ICEM CFD(the integrated computer engineering and manufacturing code for computational fluid dynamics)是一种专业的CAE前处理软件[13]。由于四面体网格不能很好地描述圆弧的边缘特征，为尽量少用四面体网格描述圆弧，在生成四面体网格后，再使用三棱柱网格细化圆弧边缘。各个模型的网格划分结果如图7～10所示。网格生成后，输出网格文件为cfx5，用于CFX流体分析。

图7 葫芦形浮标体水上部分的网格划分Fig. 7 Meshing of the above-water part of gourd-shaped buoy body

图8 圆柱形浮标体水上部分的网格划分 Fig. 8 Meshing of the above-water part of cylindrical buoy body

图9 葫芦形浮标体水下部分的网格划分Fig. 9 Meshing of the underwater part of gourd-shaped buoy body

图10 圆柱形浮标体水下部分的网格划分Fig. 10 Meshing of the underwater part of cylindrical buoy body

2.4CFX流体分析前置处理

在分析前置处理时，假定浮标体是固定不动、流体是相对运动的。本文研究目的是探讨葫芦形表层漂流浮标体研制的可行性，而影响浮标测流准确性的关键因素是海水的阻力和空气的阻力。由于现有文献缺少可参考的表层漂流浮标体风阻力和水阻力流体分析的参数，所以在进行浮标体流体分析时，为了更好地论证葫芦形浮标体的可行性，影响浮标体水下部分的海流速度设置为20 cm/s、50 cm/s、100 cm/s，对应着常规海洋观测中较小、中等及较大的海流流速；影响浮标体水上部分的风速设置为2.5 m/s、6.8 m/s、12.4 m/s、19.0 m/s，对应着2级、4级、6级、8级风的中间风速值。为提高运算速度，精度残差值统一设置为0.000 1。

2.5CFX流体分析

对浮标体而言，海水的阻力和空气的阻力效果体现在浮标体所受压力的变化上，因此针对最大压力分析来论述葫芦形浮标体的可靠性。

当海流速度设置为20 cm/s 时，分析结果如图11、12所示。葫芦形浮标体水下部分所受最大压力为21.48 Pa，小于圆柱形浮标体水下部分所受最大压力34.47 Pa，减小幅度达28.1%。

图11 流速设为20 cm/s时葫芦形浮标体水下部分的压力分析图Fig. 11 Pressure analysis of the underwater part of gourd-shaped buoy body when the flow rate is 20 cm/s

图12 流速设为20 cm/s时圆柱形浮标体水下部分的压力分析图Fig. 12 Pressure analysis of the underwater part of cylindrical buoy body when the flow rate is 20 cm/s

当海流速度设置为50 cm/s 时，分析结果如图13、14所示。葫芦形浮标体水下部分所受最大压力为155.2 Pa，小于圆柱形浮标体水下部分所受最大压力217.6 Pa，减小幅度达28.7%。

图13 流速设为50 cm/s时葫芦形浮标体水下部分的压力分析图Fig. 13 Pressure analysis of the underwater part of gourd-shaped buoy body when the flow rate is 50 cm/s

图14 流速设为50 cm/s时圆柱形浮标体水下部分的压力分析图Fig. 14 Pressure analysis of the underwater part of cylindrical buoy body when the flow rate is 50 cm/s

当海流速度设置为100 cm/s 时，分析结果如图15、16所示。葫芦形浮标体水下部分所受最大压力为621.6 Pa，小于圆柱形浮标体水下部分所受最大压力875.5 Pa，减小幅度达28.0%。

图15 流速设为100 cm/s时葫芦形浮标体水下部分的压力分析图Fig. 15 Pressure analysis of the underwater part of gourd-shaped buoy body when the flow rate is 100 cm/s

图16 流速设为100 cm/s时圆柱形浮标体水下部分的压力分析图Fig. 16 Pressure analysis of the underwater part of cylindrical buoy body when the flow rate is 100 cm/s

当风速设置为2.5 m/s 时，分析结果如图17、18所示。葫芦形浮标体水上部分所受最大压力为11.4 Pa，小于圆柱形浮标体水上部分所受最大压力12 Pa，减小幅度达5.0%。

图17 风速设为2.5 m/s葫芦形浮标体水上部分的压力分析图Fig. 17 Pressure analysis of the above-water part of gourd-shaped buoy body when the wind speed is 2.5 cm/s

图18 风速设为2.5 m/s圆柱形浮标体水上部分的压力分析图Fig. 18 Pressure analysis of the above-water part of cylindrical buoy body when the flow rate is 2.5 m/s

当海流速度设置为6.8 m/s 时，分析结果如图19、20所示。葫芦形浮标体水上部分所受最大压力为86.72 Pa，小于圆柱形浮标体水上部分所受最大压力91.2 Pa，减小幅度达4.9%。

图19 风速设为6.8 m/s葫芦形浮标体水上部分的压力分析图Fig. 19 Pressure analysis of the above-water part of gourd-shaped buoy body when the flow rate is 6.8 m/s

图20 风速设为6.8 m/s圆柱形浮标体水上部分的压力分析图Fig. 20 Pressure analysis of the above-water part of cylindrical buoy body when the flow rate is 6.8 m/s

当海流速度设置为12.4 m/s 时，分析结果如图21、22所示。葫芦形浮标体水上部分所受最大压力值为290.6 Pa，小于圆柱形浮标体水上部分所受最大压力313.1 Pa，减小幅度达7.2%。

图 21 风速设为12.4 cm/s葫芦形浮标体水上部分的压力分析图Fig. 21 Pressure analysis of the above-water part of gourd-shaped buoy body when the flow rate is 12.4 m/s

图22 风速设为12.4 m/s圆柱形浮标体水上部分的压力分析图Fig. 22 Pressure analysis of the above-water part of cylindrical buoy body when the flow rate is 12.4 m/s

当海流速度设置为19 m/s 时，如图23、24所示。葫芦形浮标体水上部分所受最大压力为684.1 Pa，小于圆柱形浮标体水上部分所受最大压力737.3 Pa，减小幅度达7.2%。

图23 风速设为19.0 m/s葫芦形浮标体水上部分的压力分析图Fig. 23 Pressure analysis of the above-water part of gourd-shaped buoy body when the flow rate is 19 m/s

图24 风速设为19.0 m/s圆柱形浮标体水上部分的压力分析图Fig. 24 Pressure analysis of the above-water part of cylindrical buoy body when the flow rate is 19 m/s

比较各种情况下浮标所受压力分布(图11～24)，由于圆柱形浮标体在进行流体分析时会产生复杂的绕流现象[14]，由分析图可以看出葫芦形浮标体水上部分和水下部分中在压力分布上较圆柱形更均匀，尤其是水下部分，使得葫芦形浮标体姿态更稳定，因此葫芦形浮标体设计更为合理。

主要的流体分析结果如表1所示。

表1 流体分析结果Tab. 1 Results of fluid analysis

流体分析结果表明，从两种浮标体受不同海流和风的影响程度分析(表1)，几种海流情况下，葫芦形浮标体较圆柱形浮标体降低海流影响的比例均约为28%，因此在改善海流影响方面是比较显著的。几种风速情况下，葫芦形浮标体较圆柱形浮标体降低风影响的比例最高只有7.2%，虽有改善，但不是很显著，这与为提高可比性，设计两种浮标体体积保持一致，从而使得葫芦形浮标体中部较圆柱形浮标体明显要宽是直接相关的，如果取最大外径相同的葫芦形和圆柱形浮标体作比较，浮标体水上部分所受的最大压力值会进一步减小，改善效果会大大提高。

由上述流体分析结果可以得出，设计为葫芦形的新型表层漂流浮标体显著优于现有典型的圆柱形和圆球形浮标体，新型葫芦形表层漂流浮标体可以更好地满足水体综合调查布放表层漂流浮标观测需求。

3 结 语

针对现在表层漂流浮标体设计方面存在的不足，提出了葫芦形新型表层漂流浮标体的设计方案。通过利用Solidworks软件建立葫芦形浮标体和常用的圆柱形浮标体水下部分和水上部分状态下的四种模型，利用Workbench软件中的CFX流体分析模块，分别对在三种不同流速和风速情况下同等体积的葫芦形浮标体和圆柱形浮标体开展流体分析和比较。得出葫芦形浮标体相对圆柱形浮标体受到的压力分布更为均匀；在表层海流观测中非常受关注的降低海流和风对浮标体的影响方面，葫芦形浮标体相对于传统的圆柱浮标体有明显的改善，水下部分压力值较圆柱浮标体减小约28%，水上部分较圆柱形浮标减小4.9%～7.2%不等。流体分析结果充分表明，葫芦形浮标体设计较过去常用的圆柱形及圆形浮标体更具合理性、性能更优越。

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Design and analysis of new surface drifting buoy

WANG Peng1, 2, HU Xiaomin1, XIONG Xuejun1, 3

(1. The First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China; 2. Xiamen University, Xiamen 361005, China; 3. Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266061, China)

In the application of surface drifting buoy in marine research, the buoy body shape has a series of effects on buoy communication stability and data recovery, directly restricting the buoy life. To reduce the wind resistance and water resistance, and the influence of the buoy on the movement of the drogue, this paper presents a new design scheme of the gourd shape of the surface drifting buoy suitable for near-ocean and ocean observation. Based on the theory of hydrodynamics, the SolidWorks software is used to model the gourd buoy and the commonly used cylindrical buoy, and the CFX fluid analysis module in the Workbench software is used to carry out the comparison and analysis of fluid. The results show that the pressure of the gourd buoy is more uniform, and the pressure value of the underwater part is about 28% lower than that of the cylindrical buoy, indicating that the gourd shape design is more reliable.

surface drifting buoy; buoy body; gourd shape; fluid analysis; ocean current

1005-9865(2017)06-0125-09

P716

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.06.015

2017-03-24

国家科技重大专项科研任务(2016ZX05057015)；海洋工程装备科研项目——500米水深油田生产装备TLP自主研发—内波流预警方案研究及内波流检测系统研制；国家自然科学基金(41376038)；国家自然科学基金委员会-山东省人民政府联合资助海洋科学研究中心项目(U1606405)；国家海洋局全球变化与海气相互作用专项子课题(GASI-03-01-01-02，GASI-IPOVAI-01-05，GASI-02-IND-STSsum)；国家重大科学研究计划(2012CB955601)；海洋公益性行业科研专项(200905024)；国家自然科学基金青年基金(40406009)；国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ12003908)

王 鹏(1989-)，男，吉林通化人，研究助理，主要从事海洋调查工作。E-mail:xmuwangpeng@xmu.edu.cn

胡筱敏(1974-)，女，湖北广水人，副研究员，主要从事区域海洋学研究。E-mail:huxm@fio.org.cn